请帮我就金属的冲击动力学、冲击损伤、冲击疲劳为主题，参阅近二十年的包括理论研究、仿真计算、实验研究等方面的参考文献，分析领域内的研究进展和发展方向，形成一篇综述文章，并在引用文献时附上出处或链接。
为了确保这篇关于金属冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳的综述文章能精准聚焦于您最关注的方面，并达到您期望的深度和实用性，我想请教您两个关键问题：
- 在您设想的应用背景或研究目标中（例如，是针对特定工程领域如航空航天、汽车安全、军事防护，还是更侧重于基础理论探索与模型发展？），您希望文章重点突出哪些具体的研究方向、材料类型（如铝合金、钛合金、高强钢等）或特定的冲击条件（如高速碰撞、爆炸冲击、重复冲击等）？
- 关于文章的结构和内容，您是否有初步的设想？比如，是希望按照“理论研究”、“仿真计算”、“实验研究”这三个方面来组织，还是更倾向于按照“冲击动力学基础”、“冲击损伤机理与模型”、“冲击疲劳行为与寿命预测”等主题来划分章节？或者您有其他更合适的组织方式？
没有，你看着办吧
明白了。我将围绕金属的冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳这一主题，查阅近二十年的相关文献（包括理论研究、仿真计算与实验研究），重点分析其在航空航天、汽车安全、军事防护等工程领域的应用研究，以及基础理论探索与模型发展方面的进展。文章将涵盖常见金属材料（如铝合金、钛合金、高强钢等）在高速碰撞、爆炸冲击、重复冲击等条件下的响应与损伤机理，并探讨该领域的研究方向与发展趋势。我会按照“冲击动力学基础”、“冲击损伤机理与模型”、“冲击疲劳行为与寿命预测”等主题来组织文章，并在引用文献时附上出处或链接。我会尽快为您整理好这篇综述。
我正在梳理金属冲击动力学、冲击损伤和冲击疲劳的研究脉络，准备通过中英文关键词组合，全面搜索近二十年的理论、仿真和实验文献，为综述文章搭建框架。
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冲击动力学 金属 研究进展梳理现有文献后，我发现部分研究虽涉及金属冲击，但与冲击损伤和疲劳的直接关联较弱，因此我将通过新的关键词，从冲击损伤机制、疲劳寿命预估等角度，寻找更聚焦的综述文献。
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Metallic Material Impact Fatigue Simulation我从上一次的搜索中发现，编号的文献标题“关于TC18钛合金冲击疲劳试验和寿命预测方法的研究”与我需要的“金属的冲击损伤”和“冲击疲劳”主题更契合，这让我意识到它可能包含我需要的全面信息。
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我从的文献中剖析了TC18钛合金的冲击疲劳特性，发现其高应变率特性使得传统疲劳理论难以适用，而基于连续损伤力学的模型结合有限元计算为寿命预测提供了新思路。
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我意识到编号 不存在，只能从现有的编号 到 中寻找有用信息，其中 的文献标题虽未直接提及冲击疲劳，但作为疲劳研究领域的重要部分，可能包含相关线索。
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我从的文献中发现钛合金在航空航天领域的疲劳损伤和表面改性技术虽有价值，但我的研究需要更广泛的金属材料视角，因此我将通过新的关键词，避开之前的搜索范围，寻找更全面的金属冲击疲劳和损伤综述文献。
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冲击载荷下 金属 疲劳 损伤 审视我从编号的文献中发现，这篇综述详细介绍了金属材料冲击疲劳的研究进展，包括试验方法、性能描述和寿命分析，这正是我需要的内容。
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我意识到编号 无法访问，于是决定转向其他文献，尝试从编号 中获取有价值的信息。
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梳理现有文献后，我发现编号的综述论文可能包含冲击疲劳的关键信息，但由于之前不可访问，我计划通过其他途径获取相关内容。
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梳理之前的尝试后，我发现编号 的文献可能与其他编号混淆，而编号 的综述文献或许能提供应变率对金属疲劳性能影响的相关信息，值得深入探究。
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我意识到编号混乱可能影响了文献获取，现在决定重新调用编号的文献，确保能获取到关于金属冲击疲劳的综述文章。
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我正在从文献中寻找金属冲击损伤和疲劳的相关信息，准备通过关键词检索来提取有用内容。
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我从的文献中发现，这篇主要聚焦结构响应，而非材料层面，于是决定扩大搜索范围，用英文关键词聚焦“金属冲击动力学”和“冲击损伤”的综述。
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Impact-induced damage in metallic materials梳理现有线索后，我发现编号的文献或许隐藏着冲击损伤的关键信息，尽管其标题聚焦于循环载荷下的金属失效与损伤形式。
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梳理之前的搜索结果后，我发现编号的文献可能包含与冲击疲劳相关的信息，值得深入挖掘。
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我意识到之前的关键词未能精准定位到理想的综述文章，准备调整策略，用更细化的关键词来探寻金属材料在冲击疲劳领域的研究进展。
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金属材料 冲击疲劳 研究综述我从的综述中梳理出金属材料冲击疲劳的关键要点，包括其定义、试验方法、性能描述及未来研究方向，为进一步深入研究明确了方向。
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梳理文献后，我发现其聚焦于金属材料在反复冲击载荷下的损伤行为，以 AA6061-T6 铝合金和 A100 钢为对象，通过实验和有限元模拟展开研究，为深入理解材料性能劣化和结构失效提供方法和模型。
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我尝试获取文献时发现需要登录万方数据，看来无法通过当前途径获取完整文献，于是决定转向编号的综述文献，希望从中找到所需信息。
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我正在处理编号的文献，准备深入分析其中的关键内容。
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我意识到直接调用点击操作不可行，于是决定调整策略，尝试直接访问文献的URL来获取所需信息。
我从编号的文献中梳理了金属材料冲击疲劳的研究进展，发现还需深入探究金属冲击动力学行为，而编号的文献标题高度契合这一需求。
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我从编号的文献中发现，虽然其对金属材料动态失效的数值建模和仿真有深入研究，但缺乏对冲击动力学、损伤和疲劳的全面综述，这让我意识到需要进一步查找更全面的综述文章。
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梳理现有线索后，我决定从的金属循环载荷损伤研究入手，或另辟蹊径，聚焦金属冲击损伤机制与实验，重新设计关键词精准搜索。
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金属材料 冲击损伤 机制 研究梳理文献后，我发现多次冲击下金属结构动态响应的研究成果，为金属材料冲击疲劳研究提供了重要线索。
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我尝试在现有文献中寻找“metal impact fatigue”相关内容，但未果，决定转向编号的文献，其标题与研究方向高度契合，有望提供关键线索。
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我正在从编号的文献中寻找与“冲击疲劳”相关的核心内容，以便快速定位关键信息。
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我意识到编号的文献虽涉及金属反复冲击损伤，但未提及“冲击疲劳”，于是决定转向编号的文献，希望从中找到关于金属冲击疲劳的综述性内容。
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我正在思考如何从编号的文献中获取更多关于金属材料与结构冲击疲劳问题的详细内容。
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梳理文献后，我发现金属材料冲击疲劳性能的影响因素复杂多样，涉及材料强度、塑性、冲击韧性、应力特征等，这些因素相互作用，决定了材料在冲击疲劳下的裂纹萌生与扩展特性，为后续研究提供了重要线索。
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我意识到直接在编号的文献中查找“金属 冲击疲劳 影响因素”没有得到预期结果，但该文献确实详细描述了相关影响因素，于是决定从其他文献入手，尝试在编号的综述文献中寻找关于金属冲击损伤的讨论。
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梳理现有线索后，我意识到直接找到“metal impact damage”的信息难度较大，决定转向编号的综述文献，期望从中获取更系统的金属材料动态响应总结。
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我从编号的文献中发现，虽然它详细介绍了金属材料的动态失效仿真，但并未涵盖冲击疲劳的全面综述，因此我决定转向编号的文献，寻找关于金属冲击疲劳研究进展的系统总结。
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梳理之前的搜索路径后，我意识到需要从编号的文献中挖掘更多关于“损伤机制”和“疲劳机理”的信息，或许能从中找到“冲击疲劳研究进展”的线索。
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梳理之前的搜索和返回信息后，我发现之前的尝试没有取得实质性的进展，需要换个思路，重新获取编号的文献。
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我意识到编号的文献实际是，而这篇关于金属构件冲击疲劳失效分析的综述可能因系统维护无法直接访问，于是我转向其他编号，准备通过获取相关信息。
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梳理现有线索后，我发现编号的文献可能与其他编号混淆，决定从的学位论文入手，探寻冲击疲劳研究的进展。
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我意识到从现有文献中获取冲击疲劳的研究进展有一定难度，决定转向国际期刊寻找综述论文，重新设计关键词以拓宽搜索范围。
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Twenty years progress in metal impact fatigue我尝试按关键词搜索未果后，决定深入挖掘编号这篇关于高速冲击表面处理的综述，或许能从中找到金属冲击损伤和疲劳的相关线索。
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我从编号的文献中发现了关于金属材料在高应变率或冲击载荷下的响应和损伤机制的线索，这让我意识到需要进一步深入阅读这篇综述，同时考虑获取编号的文献来丰富我的研究视角。
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我梳理了之前的搜索尝试，发现这篇2020年的综述文献或许能为金属冲击动力学、损伤和疲劳的研究提供一些线索。
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我梳理了现有文献，发现编号的文献标题与我的需求高度相关，可能包含冲击动力学、冲击损伤和冲击疲劳的研究进展，值得深入挖掘。
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我意识到编号并非目标文献，转而从这篇2020年的综述中寻找关于“冲击疲劳”或“冲击损伤”的信息。
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梳理之前的搜索历程后，我意识到需要拓宽视野，从英文综述文献入手，挖掘“金属冲击疲劳”领域的前沿成果。
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Impact damage mechanisms in metallic materials review梳理现有文献后，我发现编号的综述与研究主题高度契合，它聚焦于金属结构在重复冲击下的动态响应、伪疲劳机制及影响因素，值得深入研读。
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我意识到要全面覆盖“金属的冲击动力学、冲击损伤、冲击疲劳”主题，需要补充更多综述，尤其是从编号的学位论文中获取更多关于金属材料在反复冲击下损伤行为的具体信息。
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我从编号的学位论文中发现，AA6061-T6铝合金和A100钢在反复冲击载荷下的损伤行为是研究重点，且论文详细综述了国内外相关研究现状，这为我深入理解金属材料损伤机理提供了重要线索。
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我意识到无法通过在线阅读获取编号论文的更多内容，于是决定从编号的文献入手，尝试通过滚动页面获取更多关于金属材料冲击疲劳性能的信息。
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梳理文献后，我明确了金属材料冲击疲劳性能的关键影响因素，包括材料强度、塑性、冲击韧性、应力特征、作用时间、冲击速度等，这些要点将构成综述文章的核心内容。
金属材料冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳研究进展综述
金属材料的冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳研究是确保工程结构在极端服役条件下安全性与可靠性的关键。近二十年来，该领域在理论模型、实验技术和数值模拟方面均取得了显著进展，深化了对材料在冲击载荷下动态响应、损伤演化及疲劳失效机制的理解，并为抗冲击材料与结构的设计提供了重要支撑。
金属材料冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳研究进展综述
1. 引言
1.1. 金属材料冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳的定义与重要性
金属材料在服役过程中，常常会遭受到各种形式的冲击载荷，例如航空航天器在起飞、飞行和着陆过程中可能遇到的鸟撞、冰雹冲击、发动机叶片断裂物撞击等；船舶与海洋结构物在波浪、冰载、碰撞等极端环境下的冲击；武器装备在发射、侵彻、爆炸冲击波作用下的动态响应；以及交通运输工具在碰撞、紧急制动等工况下的冲击。这些冲击事件往往伴随着极高的加载速率和能量输入，使得金属材料表现出与准静态加载条件下截然不同的力学行为和损伤机制。冲击动力学是研究材料与结构在冲击载荷作用下动态响应、变形和失效规律的科学。它涉及到应力波的传播、材料的动态本构关系、结构的动态屈曲、以及材料的动态断裂等复杂问题。冲击损伤则是指材料在冲击载荷作用下，其内部微观结构或宏观形貌发生的不可逆变化，如微裂纹的萌生与扩展、孔洞的形成与长大、绝热剪切带的形成、以及宏观的塑性变形和断裂等。这些损伤会显著降低材料的承载能力和使用寿命，甚至导致灾难性的失效。冲击疲劳则是一种特殊的疲劳形式，指的是材料或结构在重复的冲击载荷作用下，性能逐渐劣化并最终发生疲劳断裂的现象。与常规疲劳相比，冲击疲劳的加载速率更高，应变率效应更为显著，材料内部的应力循环特征与外载荷循环特征可能存在明显差异 。冲击疲劳失效是许多工程结构和装备的主要失效模式之一，例如舰载机的着舰拦阻钩、火炮身管、锻锤基础等，都会在服役过程中承受反复的冲击载荷，其冲击疲劳性能直接关系到结构的安全性和可靠性 。因此，深入研究金属材料的冲击动力学行为、冲击损伤机理以及冲击疲劳特性，对于提高工程结构抗冲击能力、评估结构在冲击载荷下的寿命和可靠性、以及发展新型抗冲击材料具有至关重要的理论意义和工程价值。
1.2. 本文综述范围与结构
本文旨在对近二十年来金属材料在冲击动力学、冲击损伤及冲击疲劳领域的研究进展进行综述。内容将涵盖理论研究、仿真计算和实验研究等多个方面。首先，将介绍金属材料在高应变率下的动态响应特性，包括冲击波传播、动态本构关系和失效准则的研究进展。其次，将重点讨论金属材料冲击损伤的微观机制、实验研究方法和数值模拟技术。随后，将详细阐述冲击疲劳的定义、特点、试验方法、影响因素、裂纹萌生与扩展特性以及寿命预测模型。此外，还将结合典型金属材料（如钛合金、铝合金、高强度钢等）的研究案例，分析其在冲击载荷下的具体行为和损伤演化规律。最后，将对当前研究中存在的主要难点问题和未来的发展方向进行展望，以期为相关领域的研究人员和工程技术人员提供参考。在引用文献时，将尽可能附上出处或链接，以便读者查阅。需要指出的是，由于冲击动力学、冲击损伤和冲击疲劳问题的复杂性，不同文献中对于某些概念和术语的定义可能存在差异，本文在综述过程中将尽量采用较为通用和公认的表述。同时，由于篇幅限制，本文无法对所有相关研究进行全面覆盖，而是选取具有代表性的研究成果进行重点介绍和分析。
2. 金属材料的冲击动力学行为
2.1. 金属材料在高应变率下的动态响应特性
金属材料在高应变率下的动态响应特性是冲击动力学研究的核心内容之一。与准静态加载相比，高应变率加载条件下，金属材料的力学行为会发生显著变化，主要表现为应变率强化效应，即材料的流动应力随应变率的增加而增加 。这种效应在多种金属材料中均有观察到，例如93钨合金和921A钢的动态屈服强度均随应变率的增加而增加，但在不同应变率区间，其增加趋势有所不同 。93钨合金在应变率大于1 s⁻¹时，动态屈服强度增加明显；当应变率超过10⁴ s⁻¹时，动态屈服强度随应变率的增加变化缓慢；而在极高应变率下，动态屈服强度几乎趋于常数。相比之下，921A钢在应变率小于1000 s⁻¹时，动态屈服强度随应变率的增加几乎没有变化；当应变率大于1000 s⁻¹时，动态屈服强度会随应变率的增大而迅速增加，在应变率约为3000 s⁻¹时，其动态屈服强度约为静态屈服强度的2.1倍；其后，动态屈服强度随应变率的增加变化缓慢 。这种应变率敏感性源于材料内部微观变形机制的改变，如位错运动的粘滞性、孪生机制的激活以及相变等。Johnson-Cook模型等本构关系被广泛用于描述金属材料在高应变率下的力学行为，这些模型通常将流动应力表示为等效塑性应变、应变率和温度的函数 。
实验研究是获取金属材料高应变率力学性能的主要手段。分离式霍普金森压杆（SHPB）和分离式霍普金森拉杆（SHTB）是测试金属材料在中高应变率（通常小于10⁴ s⁻¹）下力学响应的常用技术 。对于更高应变率（例如10⁵ s⁻¹以上）下的力学行为，则需要采用平板撞击实验（如二级轻气炮实验）等方法进行研究 。通过这些实验，可以获得材料在不同应变率下的应力-应变曲线、动态屈服强度、层裂强度等关键参数。例如，通过二级轻气炮实验，研究人员获得了93钨合金和921A钢在极高应变率下的动态屈服强度数据 。分子动力学模拟也为研究金属材料在高应变率下的动态响应提供了有力的工具，能够在原子尺度上揭示材料的变形和损伤机制 。例如，研究表明，晶界的存在及其塑性行为会影响冲击波的传播和衰减 。预先存在的缺陷（如空位）会降低材料的雨贡纽弹性极限，并促进位错成核，从而影响材料的冲击塑性行为 。强激光加载也被用于研究材料在高应变率（高于10⁶ s⁻¹）下的动态损伤特性，例如纯铝的层裂强度和屈服应力随温度和应变率的变化规律 。一篇2020年发表的综述性文章《高速冲击表面处理对金属材料力学性能和微观结构影响的综述》 详细探讨了高应变率对金属材料力学性能和微观结构的影响，指出应变率的变化会影响位错的运动、增殖以及相互作用，进而影响晶粒结构、绝热剪切带（ASBs）、相变、位错结构、析出相以及形变孪晶的形成和演变，理解这些微观机制的演变规律对于揭示金属材料在高应变率下的宏观力学响应至关重要。
2.2. 冲击波在金属材料中的传播与相互作用
冲击波是冲击载荷作用下金属材料内部应力扰动传播的主要形式。当材料受到高速撞击或爆炸等强冲击载荷时，会在材料内部产生冲击波。冲击波的传播特性，如波速、压力、粒子速度等，与材料的本构关系、初始状态以及冲击加载条件密切相关。理论研究方面，一维冲击波理论是分析冲击波传播的基础，它基于质量、动量和能量守恒定律，结合材料的 Hugoniot 关系（冲击波速度与粒子速度之间的关系）来描述冲击波阵面前后的状态参数变化 。例如，张先锋等人基于一维冲击波理论和粉末材料的冲击温度计算模型，对反应金属的冲击响应行为、冲击温度及冲击反应过程进行了理论分析，考虑了材料密实度、冲击速度对冲击压力、冲击温度的影响，并提出了考虑反应效率的反应金属冲击反应理论模型，计算结果与实验结果吻合较好 。这表明一维冲击波理论在处理特定冲击问题时具有较高的精度和实用价值。
在冲击波传播过程中，如果遇到自由表面、界面或不同材料的交界面，会发生反射、透射和相互作用，形成复杂的波系结构。例如，当冲击波到达自由表面时，会发生反射稀疏波，使得材料表面附近的压力迅速降低。如果反射稀疏波与后续的压缩波相互作用，可能在材料内部产生拉伸应力区，当拉伸应力超过材料的动态拉伸强度时，就会导致层裂损伤 。层裂是冲击加载下金属材料一种典型的动态失效模式，其过程通常包括微孔洞的成核、增长和贯通三个阶段 。分子动力学模拟研究表明，在冲击加载下，由于稀疏波的相互作用，材料内部会产生拉伸应力，当拉伸应力大于材料的拉伸强度时，孔洞开始成核。随后，孔洞在拉伸应力作用下通过位错发射等方式增长，并可能伴随孪晶、相变等过程。当单个孔洞增长到一定程度，孔洞之间可能相互作用而贯通，最终导致材料完全断裂 。强冲击加载下，金属材料还可能发生卸载熔化损伤或破碎现象，特别是在惯性约束聚变和武器工程等领域，这种现象备受关注 。研究表明，金属熔化后预置孔洞的膨胀与汇合由速度梯度下的拉伸变形为主导，并阻碍周围新孔洞的成核和增长 。晶界对冲击波的传播和衰减也有重要影响。例如，分子动力学模拟显示，晶界的塑性行为会导致冲击波强度减弱，特别是弹性波的衰减 。非对称晶界的存在甚至会导致金属双晶冲击响应的左右加载方向依赖性 。这些研究加深了对冲击波在金属材料中传播和相互作用规律的理解，为预测和控制冲击损伤提供了理论基础。
2.3. 金属材料动态本构关系与失效准则研究进展
金属材料在高应变率下的动态本构关系和失效准则是准确预测其冲击动力学行为的关键。由于冲击载荷通常伴随着大变形、高应变率和显著的温升效应，材料的力学行为与准静态条件下有显著差异。因此，建立能够准确描述材料在高应变率下的应力-应变响应以及失效行为的本构模型和失效准则至关重要。Johnson-Cook (JC) 模型是广泛应用的经验型本构模型之一，它综合考虑了应变硬化、应变率硬化和温度软化效应对材料流动应力的影响，其形式简单，物理解释清晰，在描述冲击载荷下材料的强度和延性方面具有较高的精确性 。该模型也被广泛应用于含能材料的动力学行为研究中，常与一维弹脆性损伤本构模型结合使用 。然而，标准的JC失效准则在低应力三轴度区间（如剪切、压缩）的预测精度可能存在不足 。Steinberg等人提出了一个适用于应变率大于10⁵ s⁻¹的本构模型，该模型将剪切模量和屈服强度表示为等效塑性应变、压力和温度的函数，并认为在高应变率条件下可以忽略应变率对材料强度的影响 。
为了改进失效预测的准确性，研究者们提出了多种修正的或新的失效准则。例如，Bao和Wierzbicki (B-W准则) 通过大量铝合金破坏实验，以应力三轴度为自变量，将临界断裂失效应变分为韧性断裂、剪切破坏和混合断裂三个区间，提出了更符合材料实际失效情况的准则 。Bai等人则提出利用应力三轴度和Lode参数共同表征应力状态，对JC失效准则在低应力三轴度区间不准确的情况进行了改进，提出了MMC (modified Mohr-Coulomb) 准则 。此外，针对金属薄板和加筋板在爆炸冲击载荷下的剪切失效（模式III）和拉剪关联失效（模式II-III），Rudraptana等人提出了剪应力失效和拉伸应变-剪应力关联失效准则 。Zhu等人则引入了金属成形领域的成形极限曲线 (FLD) 和断裂成形极限曲线 (FFLD) 作为板材断裂失效准则，用于预测船体板碰撞时颈缩断裂的起点 。Mayer等人提出了一个描述金属在宽应变率范围内动态断裂的物理模型，该模型将动态断裂视为一种非平衡相变，包括球形蒸汽空腔的成核和生长，并考虑了固体中缺陷区域的存在 。这些研究表明，失效准则的选择和标定对于准确模拟金属材料在冲击载荷下的动态失效行为至关重要，需要结合具体的材料特性和加载条件进行优化。一篇2022年的硕士学位论文《金属材料反复冲击损伤行为的实验及有限元模拟研究》 针对AA6061-T6铝合金和A100钢，分别采用了GTN模型和J-C模型作为其损伤本构模型，并基于Abaqus有限元软件对这两种材料的反复冲击行为进行了仿真分析，详细介绍了这两种模型的参数标定方法。
3. 金属材料的冲击损伤
3.1. 金属材料冲击损伤的微观机制
金属材料在冲击载荷作用下的损伤是一个复杂的多尺度物理过程，其微观机制涉及位错运动、孪生、微裂纹萌生与扩展、绝热剪切带的形成以及孔洞的成核、长大和汇合等。在强冲击加载下，延性金属的卸载熔化损伤或破碎过程，其物理本质与层裂损伤演化过程相似，都是一个从微观孔洞成核、细观孔洞增长到宏观孔洞汇合及材料破坏的多尺度演化过程 。分子动力学模拟为揭示这些微观机制提供了有力工具。例如，对纳米多晶铜的MD研究表明，冲击加载下的塑性变形过程伴随着位错的发射、演化和晶界的变形，这些微观结构的演化直接影响冲击波阵面的结构和波后材料的强度 。在纯钛的激光冲击加载研究中，实验观察到不同冲击次数后剪切带的变化、孪晶的方向性变化及位错的形成，这些微观组织的演化是材料冲击损伤的重要表现形式 。研究表明，强冲击加载下，延性金属的损伤与破碎机制与卸载过程中的熔化现象密切相关 。当近似三角形的强压缩冲击波到达靶板自由面并反射形成卸载稀疏波时，稀疏波与冲击波的叠加会在靶板内部产生拉伸作用区域。如果拉伸应力高于材料的熔化压力，材料将发生卸载熔化。同时，足够高的拉伸应力还会导致延性金属内部以微孔洞的成核、增长和汇合形式产生损伤和破碎 。
对于复合材料，如碳纤维-金属网增强复合材料，其冲击损伤机制与金属材料有所不同。由于纤维复合材料较差的延展性和抗冲击性能，即使很小的冲击也会造成永久性的内部或外部损伤，如层间分层、纤维断裂及基体开裂等，导致剩余强度明显降低 。金属网的加入可以提高复合材料冲击后的压缩能力，但其界面损伤机制仍需深入研究 。在激光冲击金属结构材料（如铝、钛、不锈钢）的实验中，观察到材料表面形成凹坑，凹坑深度与冲击次数呈线性关系，且斜率与金属材料的屈服强度成反比，这反映了材料在冲击作用下的塑性变形和损伤累积 。一篇2020年发表的综述文章《高速冲击表面处理对金属材料力学性能和微观结构影响的综述》 系统阐述了高应变率下金属材料微观结构的演化规律，这些演化规律直接反映了冲击损伤的微观机制，如位错运动、晶界滑移、孪生、孔洞的形核、长大和汇合，以及微裂纹的形成和扩展等。该综述还详细讨论了**绝热剪切带（ASBs）**的形成机制，ASBs是金属材料在高应变率加载下局部化塑性变形的典型特征，也是冲击损伤的重要表现形式 。理解这些微观损伤机制对于建立准确的宏观损伤模型和预测材料的冲击失效行为具有重要意义。
3.2. 冲击损伤的实验研究方法与技术
研究金属材料的冲击损伤行为，实验方法和技术至关重要。它们不仅用于表征材料的损伤形貌和程度，还为理论模型的建立和数值模拟的验证提供关键数据。激光冲击是一种常用的实验手段，通过高功率脉冲激光辐照金属材料，可以在材料表面诱导高应变率变形和损伤。丁立等人对铝、钛和不锈钢三种典型的金属结构材料进行了激光冲击对比试验，在有水约束层和记号笔涂层作保护层的情况下，获得了强激光冲击作用下金属结构材料的损伤特性，并定量分析了激光冲击次数与金属材料表面凹坑深度的关系 。结果表明，凹坑深度与冲击次数呈线性关系，且斜率与金属材料的屈服强度成反比。此外，他们还对比了方斑和圆斑冲击光斑形貌对金属材料损伤的影响 。对于复合材料，低速冲击试验是研究其损伤行为的常用方法。万云等人采用自由落锤式低速冲击试验平台对碳纤维-金属网增强复合材料板进行了低速冲击试验，参照标准ASTM D7136 。通过调整落锤高度获得不同的冲击能量，利用传感器和动态应变信号采集仪记录冲击信号，得到时间-接触力、时间-能量、位移-接触力等力学曲线。冲击后，采用体视显微镜和水浸超声C扫描检测装置分别进行目视和内部损伤检查，以评估损伤程度和模式 。
为了研究材料在多次冲击下的损伤累积行为，研究人员开发了各种冲击疲劳试验装置。例如，有研究设计了U型缺口三点弯试样，并利用GTN模型和J-C模型及其参数标定方法，对AA6061-T6铝合金和A100钢的反复冲击性能进行了实验研究和有限元模拟 。平板撞击实验是研究材料在高应变率下动态行为和层裂损伤的常用手段，通常利用轻气炮或炸药驱动飞片撞击靶板，通过测量自由面速度历史或利用高速摄影等技术观测损伤过程 。**分离式霍普金森杆（SHPB或SHTB）**装置则广泛应用于材料在中高应变率下的动态力学性能测试，可以获得材料的应力-应变曲线，并通过回收试样观察其损伤形貌 。为了深入理解冲击损伤的微观机制，需要对冲击后的试样进行细致的微观组织分析。**金相分析、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）**能够提供高分辨率的微观形貌和结构信息，有助于分析裂纹的萌生与扩展路径、孔洞的形态与分布以及位错组态等 。原位观测技术，如高速摄影结合数字图像相关（DIC）技术，可以在冲击加载过程中实时监测材料表面的变形场和应变场，为研究损伤的起始和演化提供动态信息。此外，**X射线断层扫描（X-CT）**等无损检测技术也越来越多地应用于冲击损伤的定量表征，能够三维重建材料内部的损伤分布。
3.3. 冲击损伤的数值模拟与仿真计算
数值模拟与仿真计算是研究金属材料冲击损伤行为不可或缺的工具，它能够弥补实验研究的不足，揭示难以观测的损伤演化过程，并对复杂工况下的损伤进行预测。**有限元分析（FEA）**是目前应用最广泛的数值模拟方法之一。例如，在爆炸和冲击载荷下金属材料及结构的动态失效仿真中，研究者基于能量变分建立了描述金属动态失效过程的热弹塑性相场理论和计算模型，实现了断裂与剪切带失效模式的统一描述，并提出了其显式有限元高效求解策略 。该模型被应用于爆炸冲击载荷下金属脆韧失效模式转变、绝热剪切带(ASBs)自组织及冲击波作用下薄壁圆盘失效形式转变等典型金属动态失效问题，验证了理论模型的准确性及计算模型的稳健性 。针对特定结构的冲击损伤，如重载轴承，研究者开发了专门的数值仿真再现方法。通过构建轴承网络模型，进行运动学和静力学分析，然后利用重载轴承冲击损伤模型进行动力学分析，计算轴承冲击损伤 。该方法还包括模型参数修正步骤，通过对比实验数据与计算结果，调整运动学参数和动力学参数，以提高仿真精度 。
在金属材料反复冲击损伤行为的有限元模拟中，研究者利用GTN模型和J-C模型对AA6061-T6铝合金和A100钢的反复冲击试样进行了模拟，分析了试样内部的损伤演化过程 。为了更准确地模拟冲击损伤中的不连续问题，如裂纹扩展和剪切带的形成，**扩展有限元方法（XFEM）、近场动力学（Peridynamics）以及相场法（Phase Field Method）**等先进数值方法得到了发展和应用。相场法通过引入一个连续的序参量来描述材料内部的损伤状态，能够自然地模拟裂纹的萌生和扩展，而无需预先定义裂纹路径或复杂的网格重剖分技术 。**物质点法（MPM）**是另一种适合模拟冲击动力学问题的无网格方法，它不受网格畸变的限制，尤其适用于涉及大变形、破碎等问题的模拟 。此外，分子动力学（MD）模拟也被用于从原子尺度研究冲击损伤的微观机制，例如模拟纳米多晶铜中冲击波阵面的结构以及纯钛在冲击加载下的微观塑性变形 。这些数值模拟方法的发展，使得对金属材料冲击损伤行为的理解更加深入，并为工程结构的抗冲击设计和损伤评估提供了有力支持。
4. 金属材料的冲击疲劳
4.1. 冲击疲劳的定义、特点及与常规疲劳的区别
冲击疲劳是指金属材料或结构在重复的冲击载荷作用下发生的疲劳失效现象 。与常规疲劳（通常指在循环应力或应变作用下的疲劳）相比，冲击疲劳具有其独特性。首先，冲击载荷的特点是加载速率高、作用时间短，材料在极短时间内承受高能量输入，导致其动态响应特性与准静态或低周疲劳有显著差异 。其次，冲击疲劳下材料的塑性滑移集中程度通常比非冲击疲劳更为严重，试件内部应力应变的不均匀性也更大 。例如，在低碳钢中，冲击疲劳下晶粒滑移带看起来更平直，并且在相同循环次数下产生滑移带的晶粒数目比非冲击疲劳要少，这表明冲击载荷对材料微观变形机制的影响更为显著 。另一个重要区别在于裂纹尖端塑性变形区的尺寸。由于在冲击疲劳载荷作用下，中碳钢的动态屈服强度更高，因此在相同的最大应力强度因子Kmax下，冲击疲劳的裂纹尖端塑性变形区要小于非冲击疲劳时的情况 。疲劳裂纹尖端位错密度的测量结果也表明，在相同的Kmax水平下，非冲击疲劳的位错密度大于冲击疲劳的位错密度，这可能与非冲击疲劳下易发生多系统滑移有关 。此外，冲击疲劳载荷是由多次的冲击载荷作用形成的，因此单次冲击载荷下材料的变形响应特性也会体现在冲击疲劳载荷中 。研究表明，除了少数特殊情况外，金属材料的冲击疲劳强度通常低于其在非冲击疲劳条件下的强度，并且在某些情况下，材料甚至可能不存在明确的冲击疲劳极限 。这些特点使得冲击疲劳失效的预测和控制更具挑战性，需要专门的理论和实验方法进行研究。
4.2. 冲击疲劳试验方法与装置
由于冲击疲劳工况的多样性和问题的复杂性，研究者们采用的冲击疲劳试验方法多种多样，试验设备也不尽相同，目前基本没有可依据的统一试验标准 。根据冲击载荷的施加方式，冲击疲劳试验设备主要可以分为以下几类：
- 摆锤式和落锤式冲击试验机：这类设备通过重力加速来产生冲击力，因此施加冲击载荷的频率较低，通常小于1Hz。它们一般仅适用于疲劳寿命较低的低周冲击疲劳情况 。使用这类设备时，需要在冲锤撞击试件反弹后再次落下前将冲锤拉升，以防止二次冲击影响试验效果 。例如，V.M.Radhakrishnan等人设计的冲击疲劳试验机，通过电机驱动带有销钉的圆盘转动，使摆锤反复摆动撞击试件，从而产生反复冲击载荷 。Sun等人则设计了一个三点弯曲冲击疲劳试验，通过不断将落锤提升到一定高度后释放，对高强度钢AerMet100在重复高应变率冲击载荷下的超低周疲劳行为进行了研究 。
- 弹簧冲锤式试验设备：这类设备借助弹簧的弹力产生很大的加速度，可以在短时间内将冲头加速到较大的速度。因此，施加冲击载荷的频率相比摆锤式及落锤式设备有很大提高，有的可达到10Hz，甚至达到20Hz 。这使得它们既可以用于低周冲击疲劳测试，也可以用于寿命相对较长的高周冲击疲劳测试。然而，弹簧自身在施加载荷过程中也承受着疲劳载荷，其破坏是这类试验设备使用中存在的主要问题 。
- 其他专用试验装置：针对特定的研究需求，研究者还会设计和搭建专门的冲击疲劳试验装置。例如，有专利公开了一种基于模态测试研究超低周冲击疲劳试验装置及其试验方法，该装置包括靶板夹具、冲击臂和冲击头等部件，用于对板条状试验件进行冲击疲劳试验 。**分离式霍普金森压杆（SHPB）**也被用于研究材料在重复冲击载荷下的疲劳裂纹扩展特性，并通过改进驱动装置提高了试验机的加载频率 。在缠结金属线材（EMWM）的反复低速冲击实验中，每个试样在6 m/s的冲击速度下进行试验，并重复10次，以研究其力学性能和冲击行为随冲击循环次数的变化 。
这些试验方法和装置的发展，为研究金属材料在不同冲击条件下的疲劳行为提供了必要的实验手段，有助于揭示冲击疲劳的失效机制和影响因素。然而，目前尚无通用的冲击疲劳试验设备，也没有描述材料冲击疲劳性能的标准方法，迫切需要形成类似高周或低周疲劳试验标准的材料冲击疲劳试验标准 。
4.3. 金属材料冲击疲劳性能的影响因素
金属材料的冲击疲劳性能受到多种因素的综合影响，这些因素可以大致归纳为材料自身特性、冲击应力特征以及表面处理与强化技术等几个方面。
4.3.1. 材料自身特性（强度、塑性、韧性、微观组织）的影响
材料自身的特性，包括强度、塑性、韧性以及微观组织，对其冲击疲劳性能有着至关重要的影响。研究表明，冲击疲劳下材料的塑性滑移集中程度比非冲击疲劳更为严重，试件内部应力应变的不均匀性也更大 。例如，在低碳钢中，冲击疲劳下晶粒滑移带的产生与材料晶粒特征的关系更加密切，滑移带看起来更平直，并且在相同循环次数的冲击疲劳载荷下产生滑移带的晶粒数目比非冲击疲劳要少 。这暗示了材料的晶粒尺寸、取向等微观组织特征对冲击疲劳裂纹的萌生和早期扩展具有显著影响。对于轴承钢这类承受冲击接触疲劳的部件，材料的冶金质量，特别是影响接触疲劳性能的夹杂物与碳化物的均匀性，对其疲劳寿命有严重影响 。通过控制钢中非金属夹杂物的数量、尺寸和类型，以及碳化物的尺寸和分布，可以显著提高轴承钢的接触疲劳寿命 。
强度与塑性对冲击疲劳性能的影响复杂且重要。对于同种类型但不同牌号的金属材料，其强度和塑性的差异会导致冲击疲劳性能的显著不同。例如，两种高速钢 R6M5 和 R18 的 A-Nf 曲线出现相交现象：在较高冲击能量或应力水平下，高强度低塑性的 R6M5 表现出更优的抗冲击疲劳性能；而在较低冲击能量或应力水平下，材料的抗冲击疲劳性能则随塑性的增加而增加 。周惠久等的研究进一步证实，在较低冲击能量范围内，高强度低塑性材料的抗多次冲击能力优于低强度高塑性材料，并且在此范围内，强度是决定材料抗冲击破坏能力的主要因素 。他们初步认为，材料裂纹萌生的快慢取决于强度因素，而裂纹扩展速度则取决于塑性因素 。
**冲击韧性（αk）**对材料冲击疲劳性能的影响程度与材料的强度水平密切相关。对于中低强度合金（强度低于600MPa），冲击韧性值对其抗冲击疲劳性能的影响较小。然而，对于高强度合金（强度大于600MPa），通过提高其冲击韧性值可以显著提升材料的冲击疲劳性能 。
微观组织对金属材料冲击疲劳性能的影响尤为显著，尤其是在低冲击能量或低冲击应力条件下 。在冲击疲劳载荷作用下，材料微观组织对疲劳裂纹扩展的影响要大于非冲击疲劳的情况。然而，当循环塑性区的尺寸与金属材料的特征组织尺寸相当时，微观组织对疲劳裂纹扩展的影响将减弱甚至消失 。孔洞、夹杂等缺陷处容易萌生疲劳裂纹。硬质合金在小能量多次冲击下，裂纹常在孔洞、粗颗粒碳化钨（WC）和非金属夹杂等粉末冶金缺陷处萌生 。合金中某些元素含量的不同，同样会对材料的冲击疲劳性能产生影响，晶粒尺寸的大小也会有影响。例如，在相同的能量比下，Co含量越高的硬质合金疲劳敏感性越大，其低周冲击疲劳寿命越短；对于WC硬质合金，由于裂纹偏转增韧机制的作用，晶粒尺寸越大，其冲击疲劳寿命越长 。热处理方式能在一定程度上改变材料内部的组织，因此其对材料的冲击疲劳性能有着重要的影响 。例如，30CrMnSiNiA钢在250℃回火时可获得最大的冲击疲劳寿命 。
4.3.2. 冲击应力特征（应力比、加载时间、冲击速度）的影响
冲击应力特征是影响金属材料冲击疲劳性能的关键因素之一。与非冲击应力相比，在单次冲击载荷下，冲击应力的作用时间非常短暂，通常仅为一个周期下非冲击疲劳应力的0.1%至1% 。金属材料在拉伸冲击载荷作用下的典型应力-时间曲线主要由三部分组成：初始的拉伸冲击应力、随后较小的压缩应力以及相对较小振幅的振荡衰减应力 。这种高加载速率会导致材料的变形和断裂机制发生显著变化。在高应变率下，材料会发生强化现象，即屈服强度提高，这被称为应变率强化 。
应力比 (R)：在高周冲击疲劳条件下，应力比R对冲击疲劳寿命有显著影响。在相同的最大应力σmax水平下，当R=0（即脉动循环）时，材料的冲击疲劳寿命通常比R=-1（即对称循环）时长。这种影响随着最大应力的增大而逐渐减小 。
加载时间 (T)：冲击应力的作用时间也对材料的冲击疲劳性能产生影响。对于高周冲击疲劳，冲击作用时间对材料冲击疲劳强度的影响尚不完全清楚 。在低周冲击疲劳条件下，冲击应力的加载时间会显著影响冲击疲劳强度。一般来说，加载时间T越长，光滑试样的冲击疲劳强度越低 。然而，对于缺口试样，情况则有所不同。某碳钢的冲击疲劳试验表明，加载时间对缺口试样冲击疲劳寿命的影响与光滑试样相反，即加载时间越长，冲击疲劳寿命反而越高 。这可能是由于在冲击疲劳载荷下，加载时间越长意味着加载速率越小，应变率强化效应越弱，从而导致缺口根部的塑性变形集中程度减小，同时缺口敏感性也随之减小 。
冲击速度：冲击速度在某些条件下也会影响材料的冲击疲劳寿命。例如，当单次冲击能量相同时，单次冲击速度越快，疲劳寿命可能越大。以承受压缩冲击载荷的steel U8钢为例，在每次冲击能量相同的情况下，冲击速度越快，平均疲劳寿命越大，并且冲击速度越快，相同载荷循环次数下的残余变形也越大 。这表明，在特定条件下，提高冲击速度可能对材料的抗冲击疲劳性能产生积极影响。
4.3.3. 表面处理与强化技术对冲击疲劳性能的影响
表面处理与强化技术是改善金属材料抗冲击疲劳性能的重要手段。由于表面塑性应变会在材料表面产生残余应力场，因此能够显著影响材料的抗疲劳性能 。图14（在原始文献 中）显示了表面强化对弯曲冲击疲劳载荷下光滑和缺口圆柱形12KhN3A钢试件冲击疲劳寿命的提升作用，表明表面强化处理能够显著提高试样的冲击疲劳寿命 。
渗碳处理是另一种常用的表面强化方法，但其对冲击疲劳性能的影响因试件是否存在应力集中而有所不同。对于承受弯曲冲击疲劳的钢试件，当渗碳深度为1.3mm时，光滑试件的冲击疲劳强度相较于渗碳深度为0.5mm时有明显提高。然而，对于缺口试件，渗碳深度为1.3mm时，其冲击疲劳强度反而明显下降 。这可能与渗碳层深度、硬度梯度以及缺口根部应力集中的复杂相互作用有关。
除了表面强化和渗碳处理外，降低温度也可以提升钢的拉伸冲击疲劳极限 。另外，预拉伸处理也被证明可以改善某些材料的冲击疲劳性能。冉刚等 研究发现，预拉伸可以延长A-100钢单边缺口三点弯曲试样的冲击疲劳裂纹萌生寿命，但对裂纹扩展寿命没有明显影响。这些研究结果共同揭示了通过合理的表面处理和强化技术，可以有效提升金属材料的抗冲击疲劳性能。
4.4. 金属材料在冲击疲劳下的裂纹萌生与扩展特性
金属材料在冲击疲劳载荷作用下的裂纹萌生与扩展特性是理解其失效机制和预测寿命的核心。冲击疲劳载荷下，材料的塑性滑移集中程度通常比非冲击疲劳更为严重，导致试样内部应力应变分布更不均匀 。这种不均匀性为裂纹的萌生提供了有利条件。研究表明，与非冲击疲劳相比，冲击疲劳下低碳钢的滑移带产生与材料晶粒特征的关系更为密切。在冲击疲劳条件下，晶粒滑移带看起来更平直，并且在相同的循环次数下，产生滑移带的晶粒数目也少于非冲击疲劳情况 。这意味着冲击载荷可能更容易在特定的、取向不利的晶粒内引发局部塑性变形，从而促进裂纹的早期萌生。
在裂纹扩展方面，冲击疲劳也表现出其独特性。由于在冲击疲劳载荷作用下，中碳钢等材料的动态屈服强度更高，因此在相同的最大应力强度因子Kmax下，冲击疲劳裂纹尖端的塑性变形区要小于非冲击疲劳时的情况 。较小的塑性区意味着裂纹尖端应力集中更为显著，这可能导致裂纹扩展速率加快。试验观察也证实了这一点，即在冲击疲劳中裂纹扩展速率通常高于非冲击疲劳的情况 。此外，冲击疲劳下的多系统滑移行为也比非冲击疲劳下更为复杂。对疲劳裂纹尖端位错密度的测量结果显示，在相同的Kmax水平下，非冲击疲劳的位错密度大于冲击疲劳的位错密度 。光滑试件和缺口试件在冲击疲劳载荷下的表现截然不同。一般而言，光滑试件的冲击疲劳裂纹萌生寿命要高于非冲击疲劳的裂纹萌生寿命。然而，对于缺口试件，情况则相反，其冲击疲劳裂纹萌生寿命通常比非冲击疲劳的短 。加载时间对缺口试件冲击疲劳裂纹萌生寿命的影响规律也支持了上述推测，即缺口试件的冲击疲劳裂纹萌生寿命随加载时间的延长而延长 。许多金属材料的试验结果都表明，材料在冲击疲劳下的裂纹扩展同样遵循Paris定律，但冲击应力特征参数对裂纹扩展有较大影响 。
4.5. 冲击疲劳寿命预测方法与模型
准确预测金属材料在冲击疲劳载荷下的寿命，对于工程结构的安全设计和维护至关重要。由于冲击疲劳的复杂性，其寿命预测一直是该领域的研究难点和热点。目前，研究者们已经提出了一些冲击疲劳寿命分析方法，主要可以归纳为基于S-N曲线或A-Nf曲线的经验方法、基于损伤力学理论的寿命预测模型以及利用数值模拟进行寿命预测等几类 。
4.5.1. 基于S-N曲线或A-Nf曲线的经验方法
基于S-N曲线（应力-寿命曲线）或A-Nf曲线（冲击能量-寿命曲线）的经验方法是预测冲击疲劳寿命最常用的方法之一。该方法通过一系列标准冲击疲劳试验，获得材料在不同冲击应力水平或冲击能量下的疲劳寿命数据，然后利用这些数据拟合出S-N曲线或A-Nf曲线 。这些曲线可以直观地反映材料的冲击疲劳强度与寿命之间的关系，为工程设计提供依据。例如，针对TC18钛合金，研究者通过冲击疲劳试验获得了其在不同冲击能量下的寿命数据，并基于此建立了寿命预测方法 。当冲击疲劳试验结果用塑性应变幅值（Δεp/2）与循环寿命（Nf）曲线表示时，疲劳寿命通常符合Coffin-Manson定律 。然而，这种经验方法通常依赖于大量的试验数据，且其预测精度受到试验条件、材料批次、试样几何形状等多种因素的影响。此外，S-N曲线或A-Nf曲线主要适用于恒幅冲击载荷，对于变幅冲击载荷或复杂加载历史的情况，其适用性有限，需要结合疲劳累积损伤理论进行修正。
4.5.2. 基于损伤力学理论的寿命预测模型
基于损伤力学理论的寿命预测模型为冲击疲劳寿命分析提供了更为严谨的理论框架。损伤力学将材料内部的损伤（如微裂纹、微孔洞等）视为一种连续变量，通过建立损伤演化方程来描述损伤随加载历程的累积过程，当损伤达到临界值时，材料发生失效。在冲击疲劳中，损伤演化方程通常与冲击能量、应力幅值、应变率等参数相关。研究者们尝试将连续损伤力学（CDM）等方法应用于金属材料在高应变率加载条件下的损伤建模 。例如，针对TC18钛合金，研究者提出了一种新的基于连续损伤力学（CDM）的冲击疲劳损伤模型，该模型考虑了应变率的影响 。模型参数的标定结合了常规低周疲劳数据和少量冲击试验数据。随后，提出了冲击疲劳损伤计算的数值算法，并通过ABAQUS用户子程序实现了冲击疲劳损伤累积的有限元数值模拟。最终，利用该损伤模型和数值方法对TC18钛合金在拉伸冲击疲劳载荷下的损伤演化进行了模拟，并预测了相应的疲劳寿命，计算得到的冲击疲劳寿命与实验寿命的误差小于25% 。张我华等 将连续损伤力学理论应用于锻锤基础系统的疲劳损伤研究，给出了单次冲击载荷造成的损伤分析模型和多次冲击载荷作用下宏观损伤累积模型。这类模型能够从机理上描述冲击疲劳损伤的累积过程，并可以考虑加载历史的影响。
4.5.3. 数值模拟在冲击疲劳寿命预测中的应用
数值模拟在金属材料冲击疲劳寿命预测中扮演着至关重要的角色，尤其是在结合损伤力学理论时。通过有限元分析软件（如ABAQUS）及其用户自定义子程序（User Subroutine），可以实现对材料在反复冲击载荷下损伤累积过程的模拟 。具体而言，可以建立包含材料微观结构特征、动态本构关系以及损伤演化规律的数值模型。在模拟过程中，每个时间增量步内，通过迭代计算获得等效塑性应变增量，进而更新各塑性应变分量、弹性应变分量以及损伤变量。例如，在TC18钛合金的冲击疲劳研究中，研究者利用ABAQUS平台，通过用户子程序实现了冲击疲劳损伤累积的数值计算 。在纤维金属层板（FMLs）的冲击建模中，有限元分析被广泛用于研究其冲击响应和损伤模式 。这种方法不仅能够模拟材料在冲击过程中的动态响应，如应力、应变分布，还能追踪损伤的萌生和演化，直至最终失效。通过将模拟结果与实验结果进行对比验证，可以不断优化模型参数和算法，提高预测精度。数值模拟技术为理解复杂的冲击疲劳机理、评估结构在冲击载荷下的可靠性以及优化材料设计和加工工艺提供了高效且经济的手段。
5. 典型金属材料（如钛合金、铝合金、钢等）的冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳行为研究案例
5.1. 钛合金的冲击疲劳行为与寿命预测研究
钛合金因其优异的综合性能，在航空航天等领域得到广泛应用，其冲击疲劳行为及寿命预测是工程应用中的关键问题。一项针对TC18钛合金的研究系统地探讨了其在反复冲击载荷下的疲劳特性，并提出了一种新的损伤模型用于寿命预测 。该研究首先设计并实施了基于落锤冲击试验机的拉伸冲击疲劳试验，获取了不同冲击条件下的疲劳寿命和冲击响应数据。试验结果表明，冲击疲劳寿命受到冲击能量、冲击速度等多种因素的影响，且与传统疲劳行为存在显著差异，主要体现在高应变率效应和动态响应特性上。
在理论研究方面，该研究基于连续损伤力学（CDM）理论，建立了一个考虑应变率效应的冲击损伤模型。该模型的核心在于描述了材料在冲击载荷作用下，其内部损伤随冲击次数累积并导致性能退化的过程。模型参数的标定综合运用了单轴拉伸试验数据、常规低周疲劳试验数据以及TC18钛合金的冲击疲劳试验数据，确保了模型的准确性和适用性。为了实现对冲击疲劳损伤累积过程的数值模拟，研究者开发了相应的数值算法，并通过ABAQUS软件平台，利用用户自定义子程序（User Subroutine）将损伤模型嵌入到有限元分析中。这使得能够对TC18钛合金试样在冲击过程中的应力应变分布、损伤演化进行详细的模拟分析。
最终，通过将模拟预测的冲击疲劳寿命与实验结果进行对比，验证了所提出的损伤模型和数值计算方法的有效性。结果显示，预测寿命与实验寿命之间的误差在25%以内，这对于工程应用而言具有较好的精度。该研究不仅为TC18钛合金的冲击疲劳性能评估和寿命预测提供了具体的方法和数据支持，也为其他金属材料在冲击载荷下的损伤分析和寿命预测研究提供了有益的借鉴。此外，该研究还强调了冲击疲劳试验标准化的必要性，以及进一步研究冲击疲劳微观机理的重要性 。
5.2. 铝合金与高强度钢的反复冲击损伤行为研究
铝合金和高强度钢因其优异的力学性能，在航空航天、交通运输和国防等领域有着广泛应用，这些应用场景中，材料常常会承受反复的冲击载荷，导致冲击损伤的累积和最终的疲劳失效。因此，研究这些材料在反复冲击下的损伤行为对于确保结构的安全性和可靠性至关重要。一篇以AA6061-T6铝合金和A100钢为研究对象的学位论文，通过实验和数值模拟相结合的方法，系统研究了这两类典型金属材料在反复冲击载荷下的损伤破坏行为 。研究者首先设计了反复冲击实验装置和U型缺口三点弯试样，对两种材料进行了反复冲击实验，获得了其在不同冲击能量下的疲劳寿命，并对冲击断口进行了宏观观察和SEM扫描，以分析其失效模式和损伤特征 。
在理论建模方面，该研究采用了GTN (Gurson-Tvergaard-Needleman) 损伤模型和Johnson-Cook (J-C) 本构及损伤模型来描述材料的动态损伤行为 。GTN模型基于细观力学，考虑了微孔洞的成核、长大和聚合对材料宏观力学性能的影响，适用于描述韧性材料的损伤演化。J-C模型则是一个经验型的本构模型，能够较好地描述材料在高应变率下的流动应力以及温度效应。研究者通过一系列参数标定实验，确定了两种模型的关键参数。例如，对于GTN模型，需要进行专门的参数标定实验来确定孔洞成核、长大和聚合的相关参数 。对于J-C模型，则需要通过不同应变率和温度下的力学性能测试来标定其应变强化项、应力三轴度项和应变率项的参数 。为了进一步提高J-C模型参数的准确性，研究者还利用Taylor撞击实验对A100钢的J-C模型参数进行了修正 。
在有限元模拟方面，研究者建立了反复冲击试样的三维有限元模型，将标定好的GTN和J-C模型参数代入进行仿真计算 。模拟结果与实验结果进行了对比，包括疲劳寿命的预测以及试样内部的损伤演化过程。通过模拟，可以清晰地观察到在反复冲击载荷作用下，材料内部损伤（如孔洞体积分数）的逐渐累积，以及应力应变场的分布和变化，从而更深入地理解材料的失效机理。例如，对于AA6061-T6铝合金，通过GTN模型模拟了反复冲击试样内部的损伤演化；对于A100钢，则基于J-C模型进行了反复冲击实验的有限元模拟，并对模拟结果进行了讨论 。这类研究不仅有助于评估特定材料在反复冲击载荷下的性能，也为建立更精确的损伤模型和寿命预测方法提供了基础。
6. 金属结构在重复冲击载荷下的动态响应与损伤累积
6.1. 金属结构（如板、壳、夹芯板）在重复冲击下的动力响应
金属结构，如金属薄板、加筋板、夹芯板等，在航空航天、船舶、车辆等工程领域广泛应用，这些结构在服役过程中可能遭受重复的冲击载荷。研究这些结构在重复冲击下的动态响应，包括其变形模式、能量吸收特性以及损伤累积过程，对于评估其抗冲击性能和设计防护结构具有重要意义。文献 综述了2010年至2020年间结构冲击动力学的一些进展，其中包含了关于金属结构在重复冲击下动态响应的研究。例如，Rezasefat等人对比了单层和多层金属板受到局部重复冲击加载时的动态响应，结果表明，双层板混合构型（背面为薄钢板，前面为厚铝板）的抗冲击性能最优 。Ziya-Shanami等人则利用弹道摆锤对单层及多层圆形金属板进行至多5次均匀重复加载，探究了质量、层状构型、厚度以及间距等对结构动态响应的影响，发现由厚铝板和薄钢板组成的三层板混合构型在5次重复加载中性能最佳 。对于更复杂的夹芯结构，如泡沫铝金属夹芯板和蜂窝铝金属夹芯板，其在重复冲击下的动态响应也受到了广泛关注 。例如，Guo等人开展了大量泡沫铝金属夹芯板重复冲击实验和数值模拟，研究了夹芯板重复冲击动态响应，分析了重复冲击加卸载过程、夹芯板刚度变化、变形破坏以及能量吸收情况 。Zhang等人则对蜂窝铝金属夹芯板进行了重复冲击实验和数值模拟，研究了其在重复冲击载荷下的塑性动态力学行为和能量吸收特性 。此外，Zhu等人还实验研究了常温和低温环境中泡沫铝金属夹层板在重复碰撞下的动态响应，结果表明，低温环境下结构的最终累积永久变形值比室温下的结构永久变形值小 。这些研究揭示了金属结构在重复冲击下的复杂动态行为，为优化结构设计以提高其抗重复冲击能力提供了理论依据和实验数据。
6.2. 金属结构在重复冲击下的“伪疲劳”现象与损伤演化机制
金属结构在重复冲击载荷作用下的动态响应和损伤累积行为是海洋工程、航空航天、交通运输等多个领域关注的重要问题。与单次冲击不同，重复的低能量冲击虽然可能不会立即导致结构断裂，但会因损伤累积而引发更严重的后果，甚至导致结构失效。一篇2024年发表的系统综述 详细回顾了过去三十年间关于海洋结构在重复质量冲击下的动态响应的研究进展，特别关注了金属结构在重复刚体冲击和可变形体（如冰）冲击下的力学机制。该综述强调了重复冲击载荷在海洋工程中的普遍性，例如船舶碰撞、飞机着陆冲击、冰冲击以及坠落物冲击等。这些冲击事件通常具有能量较低但发生频率较高的特点，可能导致结构产生累积塑性变形，进而影响其安全性、稳定性和工作性能。因此，评估海洋结构在重复冲击下的累积塑性损伤是工程设计中的一个关键环节。
该综述 指出，学术界和工业界过去主要关注结构在单次冲击下的响应，并通过施加单次冲击载荷来评估其抗冲击性能。尽管已有大量关于结构在单次冲击载荷下响应的研究工作和文献报道，但针对重复质量冲击下结构响应的研究综述却相对匮乏。更重要的是，船级社规范中尚未充分考虑海洋结构在重复冲击下的评估。然而，已有证据表明，同一位置的低能量重复冲击由于损伤累积可能比单次冲击造成更严重的损伤。因此，在抗轻微碰撞的结构设计中，重复冲击的损伤评估应成为一个重要的任务。该综述旨在总结重复质量冲击下结构动态响应的最新研究进展，主要内容包括：金属结构在重复质量冲击下的研究方法；金属结构在重复刚体和可变形质量冲击下的力学机制，其中特别讨论了金属结构在重复冲击下**“伪疲劳”（pseudo-shakedown）现象**的发生机制；影响重复冲击下结构响应的一些因素，如材料弹性、应变率敏感性、应变硬化效应等；基于刚塑性解析解的金属结构在重复刚体质量冲击下的塑性设计方法；以及一些用于抵抗重复冲击的新型复合材料结构（如纤维金属层板、纤维增强复合材料层板、人造多孔夹层结构等）及其损伤累积机制和能量吸收特性。
“伪疲劳”现象是金属结构在重复冲击载荷下的一个重要特征。 Jones (1973) 最早注意到船舶板在由船舶和海洋结构的砰击载荷引起的相同重复压力脉冲下的行为，并指出一旦达到伪疲劳状态，重复的相同压力脉冲将不再做进一步的外部功，理想刚塑性板在重复的相同动态载荷下将不再进一步变形。Shen 和 Jones (1992) 基于理想刚塑性方法，研究了完全 clamped、理想刚塑性的梁和板在重复的、矩形形状的、跨中压力脉冲下的伪疲劳现象。Zhu 和 Faulkner (1996) 首次报道了在船舶与海洋工程领域对海洋结构在重复刚体质量冲击 (RRMI) 载荷下的研究。他们对完全夹紧的矩形钢板和铝板进行了由楔形撞击器重复撞击的一系列实验测试。Huang 等人 (2000) 对完全夹紧的圆形和方形金属板进行了一些重复刚体质量冲击试验，以研究用于确定伪疲劳状态的能量准则。Jones (2014a) 进行了系统的理论分析，以预测板在重复刚体质量冲击载荷下的塑性变形，并研究了伪疲劳现象。He 和 Guedes Soares (2021a) 对薄钢板和铝合金梁进行了能量水平为15.6J至71J的重复刚体质量冲击试验，并在一些试验中观察到了伪疲劳现象。对于伪疲劳事件，建立了一个基于临界位移的准则 (He and Guedes Soares, 2022; He et al., 2022)。文献综述表明，在过去的二十年中，基于实验、数值和理论方法对各类金属结构部件在重复刚体质量冲击下的塑性行为进行了大量研究，包括梁、钢棒、钢制格栅、板、加筋板、管状管道以及夹层板等 。
7. 研究展望与未来发展方向
7.1. 多尺度冲击损伤与疲劳机理研究
金属材料的冲击损伤与冲击疲劳行为本质上是多尺度问题，其宏观力学响应与微观组织结构演化密切相关。未来的研究将更加注重从原子、微米到宏观等多个尺度上揭示冲击损伤与疲劳的机理。分子动力学（MD）模拟在这方面已经展现出巨大潜力，例如用于研究纳米多晶金属中冲击波阵面的精细结构、位错发射与演化、晶界变形等微观过程 。然而，如何将MD模拟获得的认识与宏观连续介质力学模型相结合，建立跨尺度的本构关系和损伤演化模型，仍然是未来的重要研究方向。对于冲击疲劳，理解在不同尺度下（从位错运动、滑移带形成到微裂纹萌生和宏观裂纹扩展）的损伤累积机制至关重要。这需要发展先进的实验表征技术，如原位电子显微镜观察、同步辐射X射线断层扫描等，以便在加载过程中实时捕捉材料内部微观结构的动态演化。同时，多尺度建模方法，如晶体塑性有限元（CPFEM）、位错动力学（DD）与有限元（FE）的耦合等，也将是深入研究多尺度冲击损伤与疲劳机理的重要手段。以更全面的视角研究材料-结构-性能之间的内在规律，这已成为推动冲击动力学继续发展的一个强大新趋势 。
7.2. 复杂载荷条件下金属材料的冲击损伤与疲劳行为
实际工程结构中，金属材料往往承受着更为复杂的载荷条件，例如多轴冲击、变幅冲击、冲击与腐蚀/高温等环境因素的耦合作用。目前，对于金属材料在这些复杂载荷条件下的冲击损伤与疲劳行为的研究相对较少，理解尚不深入。未来的研究需要更加关注这些复杂工况。例如，在多轴冲击载荷下，材料内部的应力状态更为复杂，损伤萌生和扩展的机制可能与单轴冲击有显著不同。对于变幅冲击载荷，疲劳损伤的累积规律和寿命预测方法需要进一步发展和完善，传统的线性累积损伤理论可能不再适用。此外，环境因素（如腐蚀介质、高温）与冲击载荷的耦合作用会显著加速材料的损伤和失效过程，其协同作用机制需要深入研究。例如，在核工业或航空航天领域，材料可能同时承受冲击载荷和高温/辐射等极端环境 。开展针对这些复杂载荷条件的实验研究和理论建模，建立相应的损伤判据和寿命预测方法，对于提高金属结构在复杂服役环境下的可靠性和耐久性具有重要意义。
7.3. 先进实验技术与原位观测方法的应用
实验研究是揭示金属材料冲击动力学行为、损伤机制和疲劳失效规律的基础。未来，先进实验技术和原位观测方法的应用将极大地推动该领域的发展。例如，高速摄影、数字图像相关（DIC）技术、红外热成像等技术能够实时捕捉冲击过程中的变形场、应变场和温度场演化，为理解材料的动态响应提供丰富的信息。**扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线计算机断层扫描（X-CT）**等微观表征技术，结合原位加载装置，可以在微观尺度上实时观察冲击损伤的萌生与演化过程，以及疲劳裂纹的扩展行为 。例如，利用非线性声学调制和尾波干涉法结合的方法，可以检测金属材料中由冲击疲劳损伤引起的局部弹性模量降低，从而实现对冲击疲劳损伤的有效检测和量化 。此外，同步辐射光源、中子衍射等大科学装置的应用，也为研究材料在冲击载荷下的内部结构演变和应力状态提供了强有力的手段。发展更为精密、高效的原位实验技术和多信息融合的测试方法，将是未来实验研究的重要方向。
7.4. 高精度数值模拟与多物理场耦合模型的发展
数值模拟是研究金属材料冲击动力学、冲击损伤和冲击疲劳行为不可或缺的工具。未来，发展高精度、高效率的数值模拟方法和多物理场耦合模型是重要的研究方向。在宏观尺度，有限元方法（FEM）仍将是主要的分析工具，需要进一步发展能够准确描述材料在高应变率、大变形、高温等极端条件下力学行为的本构模型和失效准则。同时，**无网格法、扩展有限元法（XFEM）、物质点法（MPM）**等新型数值方法在处理冲击引起的断裂、碎片飞溅等问题上具有优势，值得进一步研究和应用。在微观尺度，分子动力学（MD）模拟可以揭示冲击载荷下材料的原子尺度变形机制和损伤演化 。为了连接不同尺度的模拟，多尺度建模方法（如并发多尺度方法、顺序多尺度方法）将得到更广泛的应用。此外，冲击过程往往涉及力学、热学、甚至化学等多物理场的耦合作用，例如冲击导致的局部温升、相变等。发展能够准确描述这些多物理场耦合效应的数值模型，对于提高冲击损伤和疲劳寿命预测的准确性至关重要。人工智能和机器学习技术在构建本构模型、参数识别、加速计算等方面的应用也展现出巨大潜力。
7.5. 抗冲击损伤与抗冲击疲劳金属材料的设计与制备
基于对金属材料冲击动力学行为、损伤机制和疲劳失效规律的深入理解，设计和制备具有优异抗冲击损伤和抗冲击疲劳性能的新型金属材料是最终目标。未来的研究将更加注重**材料基因组学、集成计算材料工程（ICME）等先进理念和方法的应用，通过理论指导下的材料设计，实现材料性能的优化。例如，通过调控合金成分、微观组织（如晶粒尺寸、织构、第二相分布等）、界面结构等，可以提高材料的强度、韧性、损伤容限和能量吸收能力。梯度材料、层状复合材料、金属玻璃及其复合材料、高熵合金等新型材料体系在抗冲击方面展现出独特的优势，值得进一步探索和开发 。例如，金属玻璃/铜复合材料在纳米颗粒冲击下的塑性变形研究表明，晶体相的存在可以驱动塑性变形，如堆垛层错的形核 。此外，先进的制备技术，如增材制造（3D打印）、 severe plastic deformation (SPD)**等，为制备具有特定微观结构和优异力学性能的金属材料提供了新的途径。结合实验表征、理论分析和数值模拟，建立材料成分-工艺-微观结构-冲击性能之间的定量关系，指导抗冲击损伤与抗冲击疲劳金属材料的理性设计与可控制备，将是未来材料科学与工程领域的重要研究方向。
8. 结论
金属材料的冲击动力学、冲击损伤与冲击疲劳研究是一个涉及多学科交叉的复杂领域，对于保障工程结构在极端服役环境下的安全性与可靠性具有至关重要的意义。近二十年来，通过理论分析、实验研究和数值模拟等多种手段的协同发展，该领域取得了显著进展。在冲击动力学行为方面，对金属材料在高应变率下的动态响应特性、冲击波传播规律以及动态本构关系和失效准则的理解不断深化。在冲击损伤方面，对损伤的微观机制、实验表征技术和数值模拟方法的研究取得了重要突破，为揭示材料在冲击载荷下的失效过程提供了有力工具。在冲击疲劳方面，对其定义、特点、影响因素、裂纹萌生扩展规律以及寿命预测模型的研究日益深入，为解决重复冲击载荷下的结构耐久性问题奠定了基础。
然而，金属材料在冲击载荷下的行为极其复杂，仍有许多挑战性问题亟待解决。例如，多尺度冲击损伤与疲劳机理的精确描述、复杂载荷（多轴、变幅、耦合环境）条件下的材料行为预测、先进原位实验技术的开发与应用、高精度多物理场耦合数值模型的构建以及新型抗冲击损伤与抗冲击疲劳材料的设计与制备等，都是未来研究的重要方向。通过持续深入的研究和创新，有望进一步揭示金属材料在冲击载荷下的本质规律，发展更为精准的预测理论和设计方法，从而为提升我国关键基础设施和重大装备的抗冲击能力提供坚实的科技支撑。
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